История склеивания

Клеи и их применение так же стары, как сама история, если под историей подразумевать тот период, о котором сохранились какие-либо письменные документы.

История склеивания

Склеивание было известно еще до того, как человек смог записать свою историю, поэтому «документы» о склеивании находятся только в форме сохранившихся изделий.

Первые данные о склеивании относятся к каменному веку, когда древний человек обнаружил клейкость, как свойство, некоторых веществ. Природные смолы, глина, некоторые битумы и воски можно считать первыми адгезивами. Не сразу, но человек понял, что кровь, яйца, некоторые виды разжеванной пищи, остатки молока, вареная рыба, кости, хрящи и раздавленные насекомые тоже клейки и могут быть использованы для соединения различных материалов. Природный асфальт и расплавленная смола хвойных деревьев были первыми плавкими клеями. По-видимому, сведения о том, что некоторые предметы можно хорошо склеить с помощью упомянутых веществ, и примитивные способы склеивания появились очень давно и были широко распространены. Доказательством этого является тот факт, что корни слов «клей» и «склеивание» во многих языках сходны. Например, латинское lutum довольно явно соответствует немецкому Leim или Lehm; латинское gluten, от которого происходит английское glue, очень близко к словацкому слову glej, русскому «клей» и греческому glia или gleba, что снова ассоциируется с немецким klebrig.

Уже во времена фараонов египтяне использовали клеи для склеивания папирусов, фанеровки мебели и для инкрустаций, а также при обертывании мумий. Исследования показали, что это были клеи животного происхождения. Ассирийцы не только изготовляли глиняные кирпичи, но и соединяли их различными замазками и битумными смесями. Древние греки склеивали мебель, а также мрамор и другие декоративные камни и минералы. Подобные работы в этот же период уже умели выполнять в Китае и Юго-Восточной Азии. Несмотря на то, что технология склеивания насчитывает (согласно различным источникам) 6000 лет, первые сведения о промышленном изготовлении клеев относятся к XVII веку. Первый патент на производство клея из натурального каучука был выдан в Англии в 1791 г.

Долгое время в распоряжении человека были только натуральные клеи, природным свойством которых была липкость. Открытие Бэкеландом в 1907 году фенолоформальдегидных смол послужило основой для создания множества известных сегодня синтетических клеев. Быстрый рост выпуска синтетических полимеров отражается не только на количестве разрабатываемых клеев, но и позволяет глубже проникать в законы адгезии, способствуя открытию новых, более совершенных способов склеивания.

Исаак Ньютон написал в своей монографии «Оптика» в 1704 году, что в природе существуют вещества, которые способны соединять (склеивать) две поверхности с помощью значительных сил притяжения, и задача состоит в том, чтобы изучить их.

Однако в области склеивания теория с самого начала отставала от практики. Развитие склеивания тесно связано с успехами в области синтеза полимеров. Появление полусинтетического полимера типа целлулоида (около 1870 г.), фенолоформальдегидной смолы (начало XX века), карбамидной смолы (1930-е годы), ненасыщенных полиэфиров (1936 г.), эпоксидных смол (1938 г.) способствовало созданию клеев с более широким, чем у природных клеев, спектром технологических свойств, обеспечивающих получение высокопрочных соединений различных по структуре, в том числе и полимерных, материалов. Первыми клееными пластмассовыми изделиями можно считать упаковку из производных целлюлозы. В 30-х годах прошлого столетия для склеивания деталей из отвержденных наполненных пластмасс стали применять термореактивный клей, наполненный нитями.

Развитию теории адгезии в значительной мере способствовали многие работы 20-х годов 20-го века. В 30-е годы Макбен и Гамахер изучали влияние состояния поверхности на адгезию. Макбен ввел понятие механической и специфической адгезии, которое широко используется до сих пор, хотя некоторые исследователи доказывают ошибочность этих представлений. Макбен приписывал основную роль механической адгезии. Гамахер, занимавшийся изучением межмолекулярных сил, доказал, что дисперсионные (лондоновские) силы зависят от размера частиц. Он утверждал, что при наличии частиц размером 10 нм радиус действия дисперсионных сил достигает 100 нм.

Однако эра современных концепций адгезии и теории склеивания началась только в 50-х годах благодаря работам Де-Бройиа, Табора и др., усилия которых были направлены на изучение свойств поверхностей на основе знаний из области физической химии. Решающее значение оказало введение понятия поверхностной энергии, и исследования в этой области.

По современным представлениям прочность клеевого соединения обусловлена адгезионным взаимодействием соединяемых поверхностей с клеевой прослойкой, когезионной прочностью этой прослойки и склеиваемого материала, а также конструкцией соединения. В настоящее время преобладающей в отношении механизма склеивания является точка зрения о межмолекулярном взаимодействии материала соединяемых поверхностей с полимерной основой клеевой прослойки. Сравнительно недавно было показано, что в зоне контакта поверхностей разнородных тел протекают химические реакции.

Сложность изучения явления адгезии, лежащего в основе склеивания и близкого к нему соединения приформовкой, связана с многообразием влияющих на него факторов и неадгезионным характером разрушения клеевых соединений.

Из всех теорий, объясняющих причину адгезии (слипания), наиболее популярна адсорбционная, согласно которой для обеспечения высокой адгезионной прочности необходимо присутствие в клее и на склеиваемых поверхностях химически активных, полярных или способных поляризоваться групп. В этом случае между соединяемыми поверхностями возникают соответственно химические, ориентационные и индукционные связи. Однако необходимо учитывать, что от природы атомных групп в полимерной основе клея зависит не только его адгезионное взаимодействие со склеиваемой поверхностью, но и когезия клеевой прослойки.

На способность склеиваться влияют такие свойства пластмасс, как низкая поверхностная энергия полимерной фазы, наличие состарившихся слоев и низкомолекулярных веществ (мономеров, пластификаторов, смазок), вышедших на поверхность из объема, гетерогенность наполненных пластмасс, набухание под влиянием компонентов клеев (например, клеев-растворов).

Для склеивания пластмасс применяют большое число клеев на основе почти всех промышленных полимеров. При выборе клея учитывают прежде всего химическую природу соединяемых материалов, а также условия эксплуатации клеевого соединения, конструктивные особенности изделия и требования к технологическим свойствам клея. Часто применяют клен, аналогичные или близкие по химической природе к полимерной основе пластмассы. Вместе с тем склеивание может быть осуществлено и универсальными (пригодными для различных материалов) клеями, например, эпоксидными, полиуретановыми, акрилатными.

Для склеивания отвержденных реактопластов рекомендуются главным образом термореактивные клеи. Композиционные материалы на основе реактопластов соединяют с помощью клеев на основе жесткого термореактивного полимера, подвергнутого модифицированию каучуком: фенолокаучуковые клеи (1950 г.), эпоксикаучуковые клеи (1966 г.) или термопластом: фенолоацетальные клеи (1944 г.), эпоксиполиамидные клеи (1960 г.). Теплостойкие композиционные материалы склеивают эпоксифенолокремнийорганическими (1963 г.) эпоксифенольными (1953 г.), полиимидными (1966 г.) и другими полиароматическими клеями.

Термопласты по их способности склеиваться могут быть разделены на 3 группы:

1. легкосклеиваемые — полярные или неполярные, но хорошо растворимые и не требующие специальной подготовки поверхности (поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирол и сополимеры стирола, поликарбонат, полиуретаны, полиизобутилен);
2. условно легкосклеиваемые — полярные, но трудно растворимые и требующие несложной подготовки (полиэтилентерефталат, пентапласт, пластифицированный поливинилхлорид);
3. трудносклеиваемые — неполярные или полярные, нерастворимые и требующие специальной подготовки поверхности (полиэтилен, полипропилен, политетрафторэтилен, полиформальдегид, полиамиды). Трудносклеиваемые термопласты подготавливают к склеиванию различными химическими, физическими или комбинированными способами.

Склеивание не получило такого развития, как это предсказывали 45-50 лет тому назад, только по причине несовершенной технологии. Подготовка поверхности перед нанесением клея иногда занимает до 75 % всей продолжительности склеивания, а затраты на ее выполнение составляют около 75 % всех затрат на процесс склеивания.

Поскольку максимальная прочность клеевого соединения обеспечивается соответствующей подготовкой склеиваемых поверхностей, этому вопросу уделяется большое внимание. Еще в самом начале освоения технологии склеивания композиционных материалов было предложено склеиваемую поверхность обрабатывать шлифовальной шкуркой (для создания матовой поверхности) и наносить на нее грунт. До сих пор этот способ предпочитают другим видам подготовки. Опескоструивание при подготовке композиционных материалов эффективно лишь в случае снятия тонкого лакового слоя таким образом, чтобы наполнитель не выступал над поверхностью. Более технологичным считается способ подготовки поверхности волокнистых композиционных материалов, заключающийся в приформовывании к ней удаляемого защитного (жертвенного) слоя и снятия его непосредственно перед нанесением клея.

Ведется поиск технологий склеивания, исключающих необходимость подготовки склеиваемых поверхностей. В этом направлении уже достигнуты некоторые успехи – это вибрационное и механохимическое склеивание, по своей сути мало отличающиеся друг от друга.

К перспективным направлениям рационализации процесса склеивания можно отнести использование скоростного отверждения традиционных реактивных клеев за счет химического или физического воздействия (например, введением ускорителей отверждения или подведением дополнительной энергии), применение одноупаковочных (однокомпонентных) клеев - капсулированных химически блокированных клеев (например, полиуретановых клеев). Скорость отверждения термореактивных клеев увеличивают методом теплового удара, т. е. резкого местного повышения температуры в зоне клеевого шва. Так, формирование клеевого слоя на основе клеев холодного отверждения при температуре 150-200 °С заканчивается за 3-5 мин. Такое скоростное соединение можно осуществить с помощью ультразвукового или высокочастотного нагрева.

В технологии склеивания с целью ускорения сборки продолжают расширять область применения термоплавких клеев (клеев-расплавов), которые имеют уже более чем 45-летнюю историю.

Для ускорения соединения с помощью термоактивируемых клеев (реактивных и термопластичных) используют индукционный нагрев последних. Эта технология получила название «электромагнитное склеивание». Более равномерное и строго регулируемое температурное поле по сравнению с традиционным индукционным нагревом с помощью катушечного индуктора и токов высокой частоты с частотой 450 кГц обеспечивает способ нагрева с использованием U-образных элементов и токов высокой частоты с частотой 10-20 кГц. Этим способом соединяют пластмассовые зажимные скобы с металлическим корпусом, присоединяют металлические зажимные скобы к элементам остекленения или пластмассовым решеткам.

Много внимания уделяется вопросам механизации и автоматизации процесса склеивания и, в частности, созданию устройств для дозирования и нанесения клеев. С расширением применения термоплавких клеев возникла необходимость в создании оборудования для их нанесения. В настоящее время в технологию склеивания пластмасс началось внедрение промышленных роботов, предназначенных в первую очередь для нанесения клеев.

Одна из актуальных проблем в области технологии склеивания - неразрушающий контроль качества соединений. К его методам относят визуальный осмотр, простукивание, инфракрасную дефектоскопию, тепловой контроль, рентгенодефектоскопию, радиоскопию и ультразвуковую дефектоскопию. Для выполнения неразрушаюшего контроля, а также для изучения процесса возникновения и развития трещин в клеевом соединении в нагруженном состоянии представляет интерес метод акустической эмиссии. Метод нейтронной радиографии чувствителен к дефектам типа пустот.

Большинство литературных данных по конструированию клеевых соединений касается рекомендаций по выбору формы клеевых швов. Успешное применение склеивания в большой степени зависит от правильного конструирования мест соединения. Знание распределения напряжений в соединении служит основой для выбора формы и размеров клеевого шва. Одной из важнейших рекомендаций остается конструирование, исключающее действие отслаивающих нагрузок. Тенденция конструирования клеевых соединений предполагает учет не только прочностных, но и деформационных свойств соединяемых материалов и клеевой прослойки. Сходимость расчетных и практических данных, характеризующих деформации и напряжения в клеевом шве, улучшается при использовании современных методов расчета и, в частности, метода конечных элементов, которое стало возможным благодаря внедрению ЭВМ.

В настоящее время склеивание наряду со сваркой - один из наиболее распространенных способов соединения деталей из пластмасс. Склеивание не заменяет, а дополняет другие способы соединения, хотя и является иногда единственно возможным. Более широкому распространению склеивания препятствует недостаточно высокий уровень прочности клеевых прослоек по сравнению с прочностью некоторых видов пластмасс (например. армированных волокнами), сложность технологии склеивания, ограниченная возможность неразрушающего контроля качества соединения, а также некоторое предубеждение работников производства против склеивания, обусловленное недостатком информации и специальных знаний. Главный же недостаток технологии склеивания, ограничивающий возможность автоматизации сборки – трудоемкость обработки поверхности деталей и длительность отверждения термореактивных клеев.

Отдельные недостатки, свойственные клеевым соединениям, могут быть устранены путем комбинирования склеивания с механическим соединением. К перспективным комбинированным методам склеивания можно отнести склеивание с обжатием зоны телескопического шва импульсным электромагнитным полем и склеивание с обжатием шва с помощью термоусаживающихся муфт.

В последние 70 лет в теории и технологии склеивания достигнуты значительные успехи, что связано, в частности, с созданием приборов и методов, дающих возможность производить самые различные испытания - от простейших на разрыв до сложных неразрушающих методов определения статической прочности соединений.

Каждый новый полимерный материал, появляющийся в промышленности, оценивается в отношении способности склеиваться. Это обусловлено следующими преимуществами склеивания по сравнению с другими способами соединения: возможностью соединения пластмасс с другими материалами; применению как в единичном, так и в крупносерийном производстве; низкими энергетическими затратами при использовании клеев холодного отверждения; сохранностью структуры и свойств соединяемых материалов; возможностью соединять детали сложной формы и по большим поверхностям; способностью «залечивать» дефекты на соединяемых поверхностях: стойкостью создаваемого соединения к распространению трещин, зародившихся в толще соединяемого материала.

Важную роль в расширении применения склеивания играет стандартизация процесса и подготовка специалистов этого профиля.

Перспективы развития технологии склеивания связаны с ростом номенклатуры полимерных материалов, созданием клеев, наделенных новыми свойствами и возможностями переработки, разработкой расчетных методов оценки прочности соединения, учитывающих большое число факторов, влияющих на прочность, развитием неразрушающих методов контроля качества клеевых соединений.

Литература